EP4010514A1 - Electrolyser device and method for carbon dioxide reduction - Google Patents

Electrolyser device and method for carbon dioxide reduction

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EP4010514A1
EP4010514A1 EP20797406.4A EP20797406A EP4010514A1 EP 4010514 A1 EP4010514 A1 EP 4010514A1 EP 20797406 A EP20797406 A EP 20797406A EP 4010514 A1 EP4010514 A1 EP 4010514A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrolyte
gas diffusion
gas
diffusion electrode
space
Prior art date
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Pending
Application number
EP20797406.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
David Reinisch
Nemanja Martic
Günter Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof

Definitions

  • the invention relates to an electrolyzer for carbon dioxide reduction. Carbon dioxide is transported past a gas diffusion cathode of an electrolysis cell and there catalytically reduced to at least one energetically higher-value product.
  • the carbon dioxide is converted naturally into carbohydrates through photosynthesis. This process, which is broken down into many sub-steps in terms of time and space at the molecular level, is very difficult to copy on an industrial scale. Compared to pure photocatalysis, the electrochemical reduction of carbon dioxide is currently the most efficient way.
  • a hybrid form is light-assisted electrolysis or electrically assisted photo-catalysis. Both terms are to be used synonymously, depending on the perspective of the observer.
  • photosynthesis in this process, with the addition of electrical energy, if necessary photo-assisted, which is preferably obtained from regenerative energy sources such as wind or sun, carbon dioxide is converted into an energetically higher-value product such as carbon monoxide, methane, ethene or other alcohols.
  • the amount of energy required for this reduction ideally corresponds to the combustion energy of the fuel and should only come from regenerative sources.
  • Gas mixtures richer in carbon monoxide or pure carbon monoxide are also used for carbonylation reactions such as hydroformulation by carboxylic acid synthesis or alcohol carbonylation, in which the primary carbon chain is lengthened.
  • the possibility of generating carbon monoxide from carbon dioxide with the inclusion of regenerative energy sources opens up a multitude of possibilities for partially or fully replacing fossil raw materials as a source of carbon for many chemical products.
  • One of these routes is the electrochemical breakdown of carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen. This is a one-step process that does not require high temperatures or overpressure. However, it is a relatively complex electrolysis process in which carbon dioxide has to be added as a substrate as a gaseous substrate.
  • the gaseous carbon dioxide can react with the charge carriers generated in the electrolysis and is therefore chemically bound in the electrolyte used:
  • the release takes place either in the electrolyte, on a membrane contact surface or directly on the anode.
  • gas bubbles are released in the ionic current path, which can lead to greatly increased cell voltages and thus to massive losses in energy efficiency.
  • a mixture of carbon dioxide and oxygen would be formed at the anode.
  • Classic carbon dioxide separation processes such as amine or methanol washes cannot be used for safety reasons.
  • purified carbon dioxide is also used for such electrochemical cells for the decomposition of carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen.
  • DE 102018 202 184 A1 discloses an electrolysis cell comprising a cathode space comprising a cathode, an anode space comprising an anode, and a salt bridge space which is arranged between the cathode and anode, the cathode and the anode being designed as a gas diffusion electrode.
  • the electrolyser according to the invention according to claim 1 for carbon dioxide reduction comprises an electrolysis cell with a cathode gas diffusion electrode and with an anode gas diffusion electrode.
  • the cathode gas diffusion electrode (hereinafter also abbreviated as GDK) adjoins a cathode gas space on a flat first side.
  • the first side of the anode gas diffusion electrode (GDA) also adjoins an anode gas space over a large area.
  • the two gas diffusion electrodes each have a second side which is opposite the respective first side and which is connected to a common electrolyte space.
  • the electrolyte space is designed in such a way that it extends from the cathode gas diffusion electrode to the anode gas diffusion electrode and is at least partially delimited by the two gas diffusion electrodes with their second side facing away from the respectively assigned gas spaces.
  • the anode gas diffusion electrode has a cation-selective coating.
  • the electrolysis cell of the electrolyzer according to claim 1 has two gas diffusion electrodes, namely a gas diffusion electrode on the anode (GDA) and one on the cathode (GDK). Both gas diffusion electrodes are connected to their own separate gas space, and they each delimit this separate gas space from a common electrolyte space.
  • the described electrolytic cell of the electrolyzer thus has only one electrolyte space, which is not separated by a membrane or a diaphragm. The electrolyte located in the electrolyte space and flowing through it is thus connected to both gas diffusion electrodes.
  • an electrolyser with these two essential features, namely two gas diffusion electrodes both on the anode and on the cathode and a common, not separate electrolyte space, means that carbon dioxide that gets through the GDK into the electrolyte space can dissolve in this in an oversaturated manner and be discharged from the electrolyte space before it mixes with the oxygen produced there at the GDA and thus becomes economically unusable for the further process feed.
  • the oxygen is created at the GDA, which diffuses through it and is discharged through the separate gas space of the GDA. Mixing of the generated oxygen with the carbon dioxide is thus greatly reduced. The reduction can be reduced to 5% of the value that is usual in a conventional design with a gas diffusion electrode and two separate electrolyte chambers.
  • the electrolyte space is provided with an electrolyte supply line and an electrolyte discharge line, which together with a pumping device form an electrolyte circuit. It is therefore also a common electrolyte circuit for the entire electrolyzer, which makes two separate electrolyte reservoirs or a neutralization of the respective reservoirs superfluous.
  • a cathode gas space and an educt gas supply device for supplying educt gases are expediently provided.
  • the anode compartment has an oxygen discharge device. Through this Oxygen that has entered the anode gas space through the anode can be extracted from the process.
  • the GDA is designed in such a way that it has a cation-selective coating.
  • the GDA is coated with an ion-conducting polymer.
  • This can conduct the protons produced into the electrolyte, but is impermeable to gases. Therefore, CO2 gas bubbles cannot enter the anode gas space and molecular gaseous oxygen that forms on the anode cannot get into the electrolyte.
  • the cation-selective coating is preferably located on a side which is directed towards the electrolyte space, as a result of which an effective transport of protons into the electrolyte can be achieved.
  • Another component of the invention is a method for operating an electrolyzer having the features of patent claim 8.
  • This method comprises the following steps: introducing a carbon dioxide-containing gas into a cathode gas space.
  • the carbon dioxide is reduced to carbon monoxide on a cathode gas diffusion electrode, the cathode gas diffusion electrode resting on a first side against the cathode gas space and with the opposite, second side resting against an electrolyte space.
  • the cathode gas diffusion electrode is flat and has the first and second flat sides, with one side resting against the cathode gas space and the other side resting against the electrolyte space.
  • a liquid electrolyte flows through the electrolyte space, in which carbon dioxide is in turn dissolved.
  • molecular oxygen is released on an anode gas diffusion electrode surface, which oxygen diffuses through an anode gas diffusion electrode.
  • Both the cathode gas diffusion electrode and the anode gas diffusion electrode adjoin the common electrolyte space with the second side in each case.
  • the electrolyte outside the electrolyte space is discharged from the CO2 dissolved in it.
  • the anode gas diffusion electrode has a cation-selective coating in the process.
  • the method according to the invention is carried out with the electrolyzer according to the invention.
  • Embodiments that have been described with respect to the electrolyser can be used accordingly in the method according to the invention, and vice versa.
  • the claimed method also has the special feature that the electrolyte space is a common electrolyte space for both the cathode and the anode and therefore has no corresponding separation such as a membrane or diaphragm.
  • both the anode and the cathode are each designed as a gas diffusion electrode, GDA and GDK. This has the effect that oxygen, which is released in the electrolyte during the process, can diffuse through the anode gas diffusion electrode as molecular oxygen and does not mix with the carbon dioxide that is also formed in the electrolyte.
  • the pH value of the electrolyte is in the acidic range, with a slightly acidic range between a pH value between 7 and 2 is aimed at.
  • the electrolyte is in particular an aqueous electrolyte.
  • a gas volume flow of the carbon dioxide at the gas diffusion cathode is at least 5 times as large, in particular 15 times as large, as at the gas diffusion anode. This leads to a further increase in the economic efficiency of the process.
  • Figure 1 shows an electrolyzer with a schematic representation of the individual process devices
  • FIG. 2 shows a very schematic representation of the material flow in the electrolyser according to FIG. 1 with the representation of the individual chemical components
  • Figure 3 shows a cross section through an anode gas diffusion electrode
  • FIG. 4 is a diagram showing the gas volume flow in different areas in the electrolyzer.
  • the electrolyser 2 according to FIG. 1 is shown there in a very schematic manner with regard to its structure.
  • the electrolyser 2 comprises an electrolysis cell 4 in which, in turn, two gas diffusion electrodes are arranged. This is a cathode gas diffusion electrode 6 (hereinafter referred to as GDK). Furthermore, an anode gas diffusion electrode 8 is provided, which is referred to below as GDA.
  • GDA cathode gas diffusion electrode 6
  • GDA anode gas diffusion electrode 8
  • Both gas diffu- Sion electrodes 6, 8 are designed as flat structures which each have two flat sides and thereby separate a gas space from an electrolyte space 16. In detail, this is structured as follows:
  • the GDK 6 has a first side 12 which is connected to a cathode gas space 10 or at least partially delimits it from the electrolyte space 16.
  • the electrolyte space 16 is in turn connected to a second side 18 of the GDK 6.
  • the GDA 8 likewise has a second side 19 which delimits the electrolyte space 16 from the other side.
  • the first side of the GDA 13 in turn adjoins a further gas space, namely the anode gas space 14.
  • the two gas diffusion electrodes 6, 8 thus at least partially delimit the electrolyte space 16 from two sides. What is special about the structure described is that, in contrast to other electrolyser structures or electrolysis cells according to the prior art, the electrolyte space 16 has no separation between the two electrodes.
  • a liquid electrolyte 42 which is located in the electrolyte space 16 in the operating state, is in direct connection both with the second side 18 of the GDK 6 and with the second side 19 of the GDA 8.
  • the electrolysis cell 42 described thus has essential features.
  • the cathode instead of the usual one gas diffusion electrode as the cathode, two gas diffusion electrodes are used in the case described, in this case the anode configured as GDA 8 is thus also a gas diffusion electrode.
  • the anode configured as GDA 8 is thus also a gas diffusion electrode.
  • an electrolyte circuit 26 which has both an rolyte feed line 20 as well as an electrolyte discharge line 22 and a pumping device 24. Furthermore, a CCh separation device 32 is provided in the electrolyte circuit 26, which in turn leads via a connecting line 34, possibly via a CO 2 processing device 46, to an educt gas supply device 28. Furthermore, an electrolyte reservoir 44 is provided in the electrolyte circuit 26.
  • the educt feed device 28 is provided, as already mentioned, in which an educt gas 40, which comprises carbon dioxide, is introduced into the cathode gas space 10.
  • the cathode gas space 10 also includes a product gas outlet device 30, in which the carbon monoxide and excess carbon dioxide formed during the process are discharged.
  • the electrolysis cell also includes the anode gas space 14, which has an oxygen discharge device 36.
  • the voltage U is applied between the two gas diffusion electrodes 6 and 8.
  • the anode gas diffusion electrode has a cation-selective coating (not shown).
  • the electrolyzer 2 described with reference to FIG. 1 is shown once again more schematically, the purpose of which is to illustrate the course of the reaction and the substance flow using the chemical symbols.
  • essentially carbon dioxide is introduced into the cathode gas space 10 as the starting gas and at least partially reduced to carbon monoxide on the first surface 12 of the GDK and discharged again through the product gas outlet device 30 described. Since most of the processes do not lead to a complete reduction of the total carbon dioxide (CO2) to carbon monoxide (CO), both carbon dioxide and carbon monoxide are discharged in the outlet device 30 and are later separated from one another.
  • the Koh lendioxid also passes through the GDK 6 in the electrolyte space 16, where it reacts with the water present there to form hydrocarbonate anions (cf. equation 1 and equation 2).
  • the carbon dioxide recovered in this way is dissolved in the electrolyte 42, possibly strongly supersaturated, and discharged with this from the electrolyte cell 2 or the electrolyte chamber 16.
  • the discharged carbon dioxide can be removed again from the electrolyte 42 in the electrolyte circuit 26 in the described C0 2 separation device 32 and fed back to the educt gas 40.
  • the carbon dioxide can optionally also be processed in a processing device 46.
  • molecular oxygen ( O 2) is generated at the GDA 8, which can diffuse through the GDA 8 and thus get into the anode gas space 14 and escape via the oxygen discharge device 36.
  • the GDA 8 is provided with a hydrophobic layer 38 so that the molecular oxygen can diffuse through the GDA 8, but the liquid water is retained by the aforementioned hydrophobic layer 38.
  • the carbon dioxide is dissolved in a relatively pure form in the electrolyte 42 and can be removed therefrom and fed back into the process. A complex separation of a carbon dioxide-oxygen mixture is not necessary, which is why the process is made much more efficient.
  • the gas volume flows 50 of the gases essentially involved in the process (O2, CO, CO2 and H2) at the individual electrodes or in the electrolyte are shown in FIG.
  • the individual gas volume flows 50 can be recognized by means of different hatching.
  • the gas volume flow 51 of the carbon dioxide is of particular interest here.
  • the gas volume flow 54 in the electrolyte 42 (middle bar) also shows a high carbon dioxide gas volume flow, there is only very little carbon monoxide included.
  • FIG. 4 thus illustrates that the measures taken in the CCh electrolyzer 2 presented here, namely the use of two gas diffusion electrodes as GDK 6 and GDA 8 and an electrolyte space 16 enclosed by them, leads to the loss of carbon dioxide oxide can be reduced from approx. 50% to approx. 5% or even less during electrolysis. Ultimately this means a reduction in carbon dioxide loss of more than 90%.
  • the GDA 8 has a hydrophobic layer 38 which prevents penetration of the electrolyte 42, which is in particular water-based. However, the molecular oxygen can diffuse through the pores of the GDA 8 into the anode gas space 14.
  • the CO2 present as a result of the neutralization does not necessarily have to lead to the formation of gas bubbles in the electrolyte space 16.
  • the neutralization is distributed over the entire electrolyte space 16. Due to the possible oversaturation, the outgassing is distributed over the entire electrolyte 42 in the electrolyte space 16 and the electrolyte circuit 26, which also includes the electrolyte reservoir 44.
  • the CO2 bubbles present in the electrolyte 42 can be separated from the electrolyte 42 before entering the electrolysis cell.
  • the CO2 bubbles come into contact with the GDA and are absorbed by it.
  • the carbon dioxide dissolved by the reaction mixes with the anodically formed oxygen in the anode gas space 14. This part corresponds to the gas volume flow 51 of the carbon dioxide in the right bar 56 of FIG. 4. This carbon dioxide can be regarded as lost for the process.
  • the CO 2 gas bubbles do not come into contact with either of the two gas diffusion electrodes 6, 8 and are carried out of the electrolysis cell 4 with the electrolyte 42.
  • This part of the carbon dioxide can be separated from the liquid electrolyte 42 with the remaining electrolyte 42 as described and, after any processing (CCb processing device 46), can be made available again to the gas cycle, in particular to the educt gas 40, via the connecting line 34.

Abstract

The invention relates to an electrolyser for carbon dioxide reduction, comprising an electrolytic cell (4), with a cathode gas diffusion electrode (6) and an anode gas diffusion electrode (8), in which a first side (12) of the cathode gas diffusion electrode (8) adjoins a cathode gas chamber (10) in a planar manner and likewise a first side (13) of the anode gas diffusion electrode (8) adjoins an anode gas chamber (14), and an electrolyte chamber (16) common to both gas diffusion electrodes (6, 8) is provided, which extends from the cathode gas diffusion electrode (6) to the anode gas diffusion electrode (8) and is at least partially delimited by the two gas diffusion electrodes (6, 8) with their second sides (18, 19) facing away from the respectively associated gas chambers (10, 14).

Description

Beschreibung description
Elektrolyseur und Verfahren zur Kohlenstoffdioxidreduktion Electrolyser and process for carbon dioxide reduction
Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur Kohlenstoffdi oxidreduktion . Kohlenstoffdioxid wird an einer Gasdiffusions kathode einer Elektrolysezelle vorbei transportiert und dort katalytisch zu wenigstens einem energetisch höherwertigen Produkt reduziert. The invention relates to an electrolyzer for carbon dioxide reduction. Carbon dioxide is transported past a gas diffusion cathode of an electrolysis cell and there catalytically reduced to at least one energetically higher-value product.
Einleitung und Stand der Technik Introduction and state of the art
Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wird derzeit etwa 80 % des weltweiten Energiebedarfs gedeckt. 2011 wurden dadurch weltweit ca. 34.032,7 Mio. Tonnen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre emittiert. Diese Freisetzung des Kohlen stoffdioxids ist der einfachste Weg, auch große Mengen an Kohlenstoffdioxid zu entsorgen. In Braunkohlekraftwerken etwa fallen täglich über 50.000 Tonnen an. Die Diskussion über die negativen Auswirkungen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid auf das Klima hat jedoch dazu geführt, dass eine Wiederver wertung von Kohlenstoffdioxid erwünscht ist und an dieser ge arbeitet wird. Da thermodynamisch gesehen Kohlenstoffdioxid sehr niedrig liegt, kann es nur schwierig zu brauchbaren Pro dukten reduziert werden. Burning fossil fuels currently covers around 80% of the world's energy needs. In 2011, around 34,032.7 million tons of carbon dioxide were emitted into the atmosphere as a result. This release of carbon dioxide is the easiest way to dispose of large amounts of carbon dioxide. In lignite power plants, for example, over 50,000 tons are produced every day. However, the discussion about the negative effects of the greenhouse gas carbon dioxide on the climate has led to the fact that recycling of carbon dioxide is desirable and that work is being done on this. Since, from a thermodynamic point of view, carbon dioxide is very low, it is difficult to reduce it to useful products.
Auf natürlichem Weg wird das Kohlenstoffdioxid durch Photo synthese zu Kohlehydraten umgesetzt. Dieser zeitlich und auf molekularer Ebene räumlich in viele Teilschritte aufgeglie derte Prozess ist nur sehr schwer großtechnisch kopierbar. Im Vergleich zur reinen Fotokatalyse stellt momentan die elekt rochemische Reduktion des Kohlenstoffdioxids den effiziente ren Weg dar. Eine Mischform ist die lichtunterstützte Elekt rolyse bzw. die elektrisch unterstützte Fotokatalyse. Beide Begriffe sind synonym zu verwenden, je nach Blickwinkel des Betrachters . Wie auch bei der Photosynthese wird bei diesem Prozess unter Zufuhr von elektrischer Energie ggf. fotounterstützt, welche bevorzugt aus regenerativen Energiequellen wie Wind oder Son ne gewonnen wird, Kohlenstoffdioxid in ein energetisch höher wertiges Produkt wie Kohlenstoffmonoxid, Methan, Ethen oder andere Alkohole umgewandelt. Die bei dieser Reduktion erfor derliche Energiemenge entspricht im Idealfall der Verbren nungsenergie des Brennstoffes und sollte nur aus regenerati ven Quellen stammen. The carbon dioxide is converted naturally into carbohydrates through photosynthesis. This process, which is broken down into many sub-steps in terms of time and space at the molecular level, is very difficult to copy on an industrial scale. Compared to pure photocatalysis, the electrochemical reduction of carbon dioxide is currently the most efficient way. A hybrid form is light-assisted electrolysis or electrically assisted photo-catalysis. Both terms are to be used synonymously, depending on the perspective of the observer. As with photosynthesis, in this process, with the addition of electrical energy, if necessary photo-assisted, which is preferably obtained from regenerative energy sources such as wind or sun, carbon dioxide is converted into an energetically higher-value product such as carbon monoxide, methane, ethene or other alcohols. The amount of energy required for this reduction ideally corresponds to the combustion energy of the fuel and should only come from regenerative sources.
Derzeit werden einige mögliche Wege zur Herstellung von Ener gieträgern und chemischen Grundstoffen auf Basis regenerati ver Energien diskutiert. Als besonders erstrebenswert gilt die direkte elektrochemische oder photochemische Umsetzung von Kohlenstoffdioxid in Kohlenwasserstoffe oder deren Sauer stoffderivate . Derzeit sind noch keine industrietauglichen Katalysatoren für diese direkten Routen verfügbar. Daher sind mehrstufige Routen in der Diskussion, die durch den höheren technischen Reifegrad der Einzelschritte eine zeitnahe Lösung in Aussicht stellen. Das wichtigste Intermediat in diesen mehrstufigen Wertschöpfungsketten ist dabei das Kohlenstoff monoxid. Es wird gemeinhin als wichtigster Cl-Baustein der synthetischen Chemie betrachtet. Als Synthesegasgemisch, das heißt Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid im Verhältnis größer 2:1 kann es über den Fischertropschprozess zum Aufbau von Kohlenwasserstoffen und zur Methanolsynthese verwendet wer den. Kohlenstoffmonoxidreichere Gasgemische oder reines Koh lenstoffmonoxid werden außerdem für Carbonylierungsreaktionen wie Hydroformulierung durch Carbonsäuresynthese oder Alko- holcarbonylierung verwendet, bei denen die primäre Kohlen stoffkette verlängert wird. Über die Möglichkeit, Kohlen stoffmonoxid aus Kohlenstoffdioxid unter Einbeziehung regene rativer Energiequellen zu erzeugen, wird also eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnet, fossile Rohstoffe als Kohlen stoffquelle für viele chemische Produkte teilweise oder voll ständig zu ersetzen. Eine dieser Routen ist die elektrochemische Zerlegung von Kohlenstoffdioxid in Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff. Dabei handelt es sich um ein einstufiges Verfahren, bei dem keine hohen Temperaturen oder Überdruck erforderlich sind. Aller dings handelt es sich um ein relativ komplexes Elektrolyse verfahren, bei dem als Substrat Kohlenstoffdioxid als ein gasförmiges Substrat zugeführt werden muss. Außerdem kann das gasförmige Kohlenstoffdioxid mit den in der Elektrolyse er zeugten Ladungsträgern reagieren und wird daher in den ver wendeten Elektrolyten chemisch gebunden: Some possible ways of producing energy sources and chemical raw materials based on renewable energies are currently being discussed. Particularly desirable is the direct electrochemical or photochemical conversion of carbon dioxide into hydrocarbons or their oxygen derivatives. There are currently no industrial catalysts available for these direct routes. Therefore, multi-stage routes are being discussed which, due to the higher level of technical maturity of the individual steps, promise a timely solution. The most important intermediate in these multi-level value chains is carbon monoxide. It is commonly regarded as the most important Cl building block in synthetic chemistry. As a synthesis gas mixture, i.e. hydrogen and carbon monoxide in a ratio greater than 2: 1, it can be used via the Fischertropsch process to build up hydrocarbons and to synthesize methanol. Gas mixtures richer in carbon monoxide or pure carbon monoxide are also used for carbonylation reactions such as hydroformulation by carboxylic acid synthesis or alcohol carbonylation, in which the primary carbon chain is lengthened. The possibility of generating carbon monoxide from carbon dioxide with the inclusion of regenerative energy sources opens up a multitude of possibilities for partially or fully replacing fossil raw materials as a source of carbon for many chemical products. One of these routes is the electrochemical breakdown of carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen. This is a one-step process that does not require high temperatures or overpressure. However, it is a relatively complex electrolysis process in which carbon dioxide has to be added as a substrate as a gaseous substrate. In addition, the gaseous carbon dioxide can react with the charge carriers generated in the electrolysis and is therefore chemically bound in the electrolyte used:
Während des Prozesses werden dann diese Carbonate als Folge der Protonenerzeugung an der Anode wieder zerlegt: During the process, these carbonates are then broken down again as a result of the proton generation at the anode:
Je nach Eduktzusammensetzung und insbesondere beeinflusst durch unterschiedliche Katalysatormaterialien in den Gasdif fusionselektroden können auch andere Reaktion unter Beibehal tung der Reduktion des C02 stattfinden. Depending on the educt composition and in particular influenced by different catalyst materials in the gas diffusion electrodes, other reactions can also take place while maintaining the reduction of the CO 2.
Je nach Aufbau der Elektrolysezelle erfolgt die Freisetzung entweder im Elektrolyten, an einer Membrankontaktfläche oder direkt an der Anode. In den ersten beiden Fällen kommt es zur Freisetzung von Gasblasen im ionischen Strompfad, was zu stark erhöhten Zellspannungen und damit zu massiven Einbußen in der Energieeffizienz führen kann. Im letzteren Fall würde an der Anode ein Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff gebildet. Für solche Gemische gibt es aktuell keine Nutzungs möglichkeiten und eine Auftrennung wäre notwendig, aber sehr kostspielig. Klassische Kohlenstoffdioxidabtrennungsverfahren wie Amin- oder Methanolwäschen können aus Sicherheitsgründen nicht angewendet werden. Für derartige elektrochemische Zel len zur Zerlegung von Kohlenstoffdioxid in Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff wird außerdem gereinigtes Kohlenstoffdioxid verwendet. Demnach stellt es einen deutlich Ressourcenverlust dar, wenn Kohlenstoffdioxid über ein an der Anode entstehen des Gasgemisch aus Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid verloren geht. Dieser Ressourcenverlust treibt die Betriebskosten sig nifikant in die Höhe. Darüber hinaus verliert die Technologie bei der überwiegenden Freisetzung von Kohlenstoffdioxid ihren Charakter als grüne Technologie. Eine Rückführung des gesam ten Gases in den Eduktgasstrom ist ineffizient, da der elek trochemisch erzeugte Sauerstoff im Eduktgasstrom wieder zu Wasser reduziert würde und somit die Effizienz des Elektroly sesystems und -Verfahrens vermindern würde. Depending on the structure of the electrolytic cell, the release takes place either in the electrolyte, on a membrane contact surface or directly on the anode. In the first two cases, gas bubbles are released in the ionic current path, which can lead to greatly increased cell voltages and thus to massive losses in energy efficiency. In the latter case, a mixture of carbon dioxide and oxygen would be formed at the anode. There are currently no possible uses for such mixtures and separation would be necessary, but very costly. Classic carbon dioxide separation processes such as amine or methanol washes cannot be used for safety reasons. For such electrochemical cells for the decomposition of carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen, purified carbon dioxide is also used. Accordingly, it represents a significant loss of resources when carbon dioxide is lost through a gas mixture of oxygen and carbon dioxide generated at the anode. This loss of resources significantly increases operating costs. In addition, with the predominant release of carbon dioxide, the technology loses its character as a green technology. Recirculation of the entire gas into the feed gas stream is inefficient, since the electrochemically generated oxygen in the feed gas stream would be reduced back to water and thus the efficiency of the electrolysis system and process would be reduced.
Aus der DE 102018 210 303 Al sind ein Verfahren zur elektro chemischen Umsetzung eines Gases umfassend CO2 sowie eine Vorrichtung zur elektrochemischen Umsetzung eines Gases um fassend CO2 bekannt, wobei an einer Anode einer Elektrolyse zelle ein Gas umfassend H2 umgesetzt wird. From DE 102018 210 303 A1 a method for the electrochemical conversion of a gas comprising CO2 and a device for the electrochemical conversion of a gas comprising CO2 are known, a gas comprising H2 being converted at an anode of an electrolysis cell.
Die DE 102018 202 184 Al offenbart eine Elektrolysezelle, umfassend einen Kathodenraum umfassend eine Kathode, einen Anodenraum umfassend eine Anode, und einen Salzbrückenraum, der zwischen Kathode und Anode angeordnet ist, wobei die Ka thode und die Anode als Gasdiffusionselektrode ausgebildet sind. DE 102018 202 184 A1 discloses an electrolysis cell comprising a cathode space comprising a cathode, an anode space comprising an anode, and a salt bridge space which is arranged between the cathode and anode, the cathode and the anode being designed as a gas diffusion electrode.
In der US 2012/0228 147 Al sind Verfahren und Vorrichtungen zur elektrochemischen Herstellung von Ameisensäure beschrie ben. In US 2012/0228 147 A1, methods and devices for the electrochemical production of formic acid are described ben.
Es besteht also ein Bedarf an einem Kohlenstoffdioxidelektro- lyseur, mittels dem eine elektrochemische Zerlegung von Koh lenstoffdioxid in Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff erfolgen kann, bei dem gleichzeitig die Kohlenstoffdioxidverluste über das an der Anode gebildete Gasgemisch minimiert werden sowie Einträge des Kohlenstoffdioxids in den Elektrolyten möglichst vollständig abgetrennt werden können. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Elektrolyseur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 12. There is therefore a need for a carbon dioxide electrolyzer by means of which an electrochemical breakdown of carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen can take place, in which at the same time the carbon dioxide losses via the gas mixture formed at the anode are minimized and carbon dioxide entries into the electrolyte are separated as completely as possible can be. The object is achieved in an electrolyzer with the features of claim 1 and in a method with the features according to claim 12.
Der erfindungsgemäße Elektrolyseur gemäß Patentanspruch 1 zur Kohlenstoffdioxidreduktion umfasst eine Elektrolysezelle mit einer Kathodengasdiffusionselektrode sowie mit einer Anoden gasdiffusionselektrode. Die Kathodengasdiffusionselektrode (im Weiteren auch als GDK abgekürzt) grenzt dabei an einer ersten Seite flächig an einen Kathodengasraum an. Ebenso grenzt die Anodengasdiffusionselektrode (GDA) mit einer ers ten Seite flächig an einen Anodengasraum an. Die beiden Gas diffusionselektroden weisen dabei jeweils eine zweite Seite auf, die der jeweils ersten Seite gegenüberliegt, und die mit einem gemeinsamen Elektrolytraum in Verbindung steht. Der Elektrolytraum ist dabei derart ausgestaltet, dass er von der Kathodengasdiffusionselektrode bis zur Anodengasdiffusions elektrode reicht und von den beiden Gasdiffusionselektroden mit ihren den jeweils zugeordneten Gasräumen abgewandten, zweiten Seite zumindest abschnittweise begrenzt wird. Die Anodengasdiffusionselektrode weist eine kationenselektive Be schichtung auf. The electrolyser according to the invention according to claim 1 for carbon dioxide reduction comprises an electrolysis cell with a cathode gas diffusion electrode and with an anode gas diffusion electrode. The cathode gas diffusion electrode (hereinafter also abbreviated as GDK) adjoins a cathode gas space on a flat first side. The first side of the anode gas diffusion electrode (GDA) also adjoins an anode gas space over a large area. The two gas diffusion electrodes each have a second side which is opposite the respective first side and which is connected to a common electrolyte space. The electrolyte space is designed in such a way that it extends from the cathode gas diffusion electrode to the anode gas diffusion electrode and is at least partially delimited by the two gas diffusion electrodes with their second side facing away from the respectively assigned gas spaces. The anode gas diffusion electrode has a cation-selective coating.
Die Elektrolysezelle des Elektrolyseurs gemäß Anspruch 1 weist zwei Gasdiffusionselektroden, nämlich eine Gasdiffusi onselektrode an der Anode (GDA) und eine an der Kathode (GDK) auf. Beide Gasdiffusionselektroden stehen mit einem eigenen, separaten Gasraum in Verbindung, und sie grenzen jeweils die sen separaten Gasraum von einem gemeinsamen Elektrolytraum ab. Die beschriebene Elektrolysezelle des Elektrolyseurs weist somit nur einen Elektrolytraum auf, der auch nicht durch eine Membran oder ein Diaphragma getrennt ist. Der in dem Elektrolytraum befindliche und diesen durchströmenden Elektrolyt steht somit mit beiden Gasdiffusionselektroden in Verbindung . The electrolysis cell of the electrolyzer according to claim 1 has two gas diffusion electrodes, namely a gas diffusion electrode on the anode (GDA) and one on the cathode (GDK). Both gas diffusion electrodes are connected to their own separate gas space, and they each delimit this separate gas space from a common electrolyte space. The described electrolytic cell of the electrolyzer thus has only one electrolyte space, which is not separated by a membrane or a diaphragm. The electrolyte located in the electrolyte space and flowing through it is thus connected to both gas diffusion electrodes.
Es hat sich experimentell herausgestellt, dass der Aufbau ei nes Elektrolyseurs mit diesen beiden wesentlichen Merkmalen, nämlich zwei Gasdiffusionselektroden sowohl an der Anode als auch an der Kathode und ein gemeinsamer, nicht getrennter Elektrolytraum, dazu führt, dass sich Kohlendioxid, das durch die GDK in den Elektrolytraum gelangt, in diesem in übersät tigter Weise lösen kann und aus dem Elektrolytraum abgeführt werden kann, bevor es an der GDA sich mit dem dort entstehen den Sauerstoff vermischt und somit für die weitere Prozesszu fuhr wirtschaftlich unbrauchbar werden würde. An der GDA ent steht wie beschrieben der Sauerstoff, der durch diese hin durch diffundiert und durch den separaten Gasraum der GDA ab geführt wird. Ein Vermischen des erzeugten Sauerstoffes mit dem Kohlendioxid wird somit stark reduziert. Die Reduktion kann bis auf 5 % des Wertes herabgesenkt werden, der bei ei ner herkömmlichen Bauweise mit einer Gasdiffusionselektrode und zwei getrennten Elektrolyträumen üblich ist. It has been found experimentally that the structure of an electrolyser with these two essential features, namely two gas diffusion electrodes both on the anode and on the cathode and a common, not separate electrolyte space, means that carbon dioxide that gets through the GDK into the electrolyte space can dissolve in this in an oversaturated manner and be discharged from the electrolyte space before it mixes with the oxygen produced there at the GDA and thus becomes economically unusable for the further process feed. As described, the oxygen is created at the GDA, which diffuses through it and is discharged through the separate gas space of the GDA. Mixing of the generated oxygen with the carbon dioxide is thus greatly reduced. The reduction can be reduced to 5% of the value that is usual in a conventional design with a gas diffusion electrode and two separate electrolyte chambers.
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Elektrolyt raum mit einer ElektrolytZuleitung und einer Elektrolytablei tung versehen, die gemeinsam mit einer Pumpvorrichtung einen Elektrolytkreislauf bilden. Es handelt sich hierbei somit auch um einen gemeinsamen Elektrolytkreislauf für den gesam ten Elektrolyseur, der zwei getrennte Elektrolytreservoire bzw. auch eine Neutralisierung der jeweiligen Reservoire überflüssig macht. In one embodiment of the invention, the electrolyte space is provided with an electrolyte supply line and an electrolyte discharge line, which together with a pumping device form an electrolyte circuit. It is therefore also a common electrolyte circuit for the entire electrolyzer, which makes two separate electrolyte reservoirs or a neutralization of the respective reservoirs superfluous.
Ferner ist in zweckmäßigerweise ein Kathodengasraum und eine Eduktgaszuführvorrichtung zur Zufuhr von Eduktgasen vorgese hen. Furthermore, a cathode gas space and an educt gas supply device for supplying educt gases are expediently provided.
Ferner ist es zweckmäßig, im Elektrolytkreislauf eine Kohlen- dioxidabscheidungsvorrichtung einzubauen, wodurch das Kohlen dioxid im Elektrolyten entladen werden kann und durch eine entsprechende weitere vorteilhafte Verbindungsleitung dem Eduktgas wieder zugeführt werden kann. Furthermore, it is expedient to install a carbon dioxide separation device in the electrolyte circuit, as a result of which the carbon dioxide in the electrolyte can be discharged and can be fed back to the educt gas through a corresponding further advantageous connecting line.
Ferner weist der Anodenraum in einer vorteilhaften Ausgestal tungsform eine Sauerstoff-Ablassvorrichtung auf. Hierdurch kann Sauerstoff, der durch die Anode in den Anodengasraum ge langt ist, dem Prozess entnommen werden. Furthermore, in an advantageous embodiment, the anode compartment has an oxygen discharge device. Through this Oxygen that has entered the anode gas space through the anode can be extracted from the process.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die GDA so ausgestaltet ist, dass sie eine kationenselektive Beschichtung aufweist.According to the invention it is provided that the GDA is designed in such a way that it has a cation-selective coating.
In diesem Fall wird die GDA mit einem ionenleitenden Polymer beschichtet. Dieses kann die entstehenden Protonen in den Elektrolyten leiten, ist allerdings undurchlässig für Gase. Daher können C02 Gasbläschen nicht in den Anodengasraum ge langen und molekularer gasförmiger Sauerstoff der sich an der Anode bildet nicht in den Elektrolyten gelangen. Bevorzugt befindet sich die kationenselektive Beschichtung auf einer Seite, die zum Elektrolytraum gerichtet ist, wodurch ein ef fektiver Transport von Protonen in den Elektrolyt erzielt werden kann. In this case, the GDA is coated with an ion-conducting polymer. This can conduct the protons produced into the electrolyte, but is impermeable to gases. Therefore, CO2 gas bubbles cannot enter the anode gas space and molecular gaseous oxygen that forms on the anode cannot get into the electrolyte. The cation-selective coating is preferably located on a side which is directed towards the electrolyte space, as a result of which an effective transport of protons into the electrolyte can be achieved.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs mit den Merkmalen des Pa tentanspruchs 8. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte: das Einleiten eines kohlendioxidhaltigen Gases in einen Kathodengasraum. Hierbei wird das Kohlendioxid an einer Kathodengasdiffusionselektrode zu Kohlenmonoxid reduziert, wobei die Kathodengasdiffusionselektrode mit einer ersten Seite an den Kathodengasraum anliegt und mit der gegen überliegenden, zweiten Seite an einem Elektrolytraum an liegt. Dabei ist die Kathodengasdiffusionselektrode flä chig ausgestaltet und weist eben die erste und die zweite flächige Seite auf, wobei eben eine Seite am Kathodengas raum und die andere Seite an dem Elektrolytraum anliegt. Another component of the invention is a method for operating an electrolyzer having the features of patent claim 8. This method comprises the following steps: introducing a carbon dioxide-containing gas into a cathode gas space. In this case, the carbon dioxide is reduced to carbon monoxide on a cathode gas diffusion electrode, the cathode gas diffusion electrode resting on a first side against the cathode gas space and with the opposite, second side resting against an electrolyte space. The cathode gas diffusion electrode is flat and has the first and second flat sides, with one side resting against the cathode gas space and the other side resting against the electrolyte space.
Der Elektrolytraum wird dabei von einem flüssigen Elektro lyten durchströmt, in dem wiederum Kohlendioxid gelöst wird. A liquid electrolyte flows through the electrolyte space, in which carbon dioxide is in turn dissolved.
Ferner wird an einer Anodengasdiffusionselektrodenoberflä che molekularer Sauerstoff frei, der durch eine Anodengas diffusionselektrode diffundiert. Sowohl die Kathodengasdiffusionselektrode als auch die Anodengasdiffusionselektrode grenzen mit der jeweils zwei ten Seite an dem gemeinsamen Elektrolytraum an. Furthermore, molecular oxygen is released on an anode gas diffusion electrode surface, which oxygen diffuses through an anode gas diffusion electrode. Both the cathode gas diffusion electrode and the anode gas diffusion electrode adjoin the common electrolyte space with the second side in each case.
Im Weiteren wird der Elektrolyt außerhalb des Elektroly traums von dem darin gelösten CO2 entladen. In addition, the electrolyte outside the electrolyte space is discharged from the CO2 dissolved in it.
Die Anodengasdiffusionselektrode weist im Verfahren eine ka tionenselektive Beschichtung auf. Insbesondere wird mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur das erfindungsgemäße Verfah ren durchgeführt. Ausführungsformen, die bezüglich des Elekt rolyseurs beschrieben wurden, können entsprechend im erfin dungsgemäßen Verfahren Anwendung finden, und vice versa. The anode gas diffusion electrode has a cation-selective coating in the process. In particular, the method according to the invention is carried out with the electrolyzer according to the invention. Embodiments that have been described with respect to the electrolyser can be used accordingly in the method according to the invention, and vice versa.
Wie bereits bezüglich des Patentanspruchs 1 erwähnt ist, weist auch das beanspruchte Verfahren das besondere Merkmal auf, dass der Elektrolytraum ein gemeinsamer Elektrolytraum sowohl der Kathode als auch der Anode ist und demnach keine entsprechende Trennung wie beispielsweise eine Membran oder Diaphragma aufweist. Ferner ist sowohl die Anode als auch die Kathode jeweils als Gasdiffusionselektrode, GDA und GDK, aus gestaltet. Dies bewirkt, dass Sauerstoff, der bei dem Prozess im Elektrolyten frei wird, als molekularer Sauerstoff durch die Anodengasdiffusionselektrode hindurch diffundieren kann und dabei sich nicht mit dem ebenfalls im Elektrolyten ent stehenden Kohlendioxid vermischt. Das hat wiederum zur Folge, dass das Kohlendioxid im Elektrolyten in übersättigter Form vorliegen kann und aus dem Elektrolytraum hinausgeführt wer den kann und außerhalb des Elektrolytraums vom Elektrolyten entladen werden kann. Dieses so entladene Kohlendioxid kann dem Prozess als Eduktgas wieder zugeführt werden, was den Ge samtprozess deutlich wirtschaftlicher gestaltet. As already mentioned with regard to claim 1, the claimed method also has the special feature that the electrolyte space is a common electrolyte space for both the cathode and the anode and therefore has no corresponding separation such as a membrane or diaphragm. Furthermore, both the anode and the cathode are each designed as a gas diffusion electrode, GDA and GDK. This has the effect that oxygen, which is released in the electrolyte during the process, can diffuse through the anode gas diffusion electrode as molecular oxygen and does not mix with the carbon dioxide that is also formed in the electrolyte. This in turn has the consequence that the carbon dioxide in the electrolyte can be in supersaturated form and can be led out of the electrolyte compartment and can be discharged from the electrolyte outside the electrolyte compartment. This discharged carbon dioxide can be fed back into the process as educt gas, which makes the overall process significantly more economical.
Bei dem beschriebenen Verfahren ist es zweckmäßig, dass der PH-Wert des Elektrolyten im sauren Bereich liegt, wobei hier bei ein leicht saurer Bereich zwischen einem PH-Wert zwischen 7 und 2 angestrebt ist. Der Elektrolyt ist insbesondere ein wässriger Elektrolyt. In the method described, it is expedient that the pH value of the electrolyte is in the acidic range, with a slightly acidic range between a pH value between 7 and 2 is aimed at. The electrolyte is in particular an aqueous electrolyte.
Ferner ist es zweckmäßig, dass ein Gasvolumenstrom des Koh lendioxids an der Gasdiffusionskathode mindestens 5-mal so groß ist, insbesondere 15-mal so groß ist wie an der Gasdif fusionsanode. Dies führt zu weiteren Steigerungen der Wirt schaftlichkeit des Prozesses. Furthermore, it is expedient that a gas volume flow of the carbon dioxide at the gas diffusion cathode is at least 5 times as large, in particular 15 times as large, as at the gas diffusion anode. This leads to a further increase in the economic efficiency of the process.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Beispiele und Merk male der Erfindung werden im Rahmen der folgenden Figurenbe schreibung näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Beschränkung des Schutzbereichs darstellen. Further embodiments and further examples and features of the invention are explained in more detail in the context of the following description of the figures. These are purely exemplary embodiments that do not represent any restriction of the scope of protection.
Dabei zeigen: Show:
Figur 1 ein Elektrolyseur mit schematischer Darstellung der einzelnen Prozessvorrichtungen, Figure 1 shows an electrolyzer with a schematic representation of the individual process devices,
Figur 2 eine sehr schematische Darstellung des Stoffflusses in dem Elektrolyseur nach Figur 1 mit der Darstel lung der einzelnen chemischen Komponenten FIG. 2 shows a very schematic representation of the material flow in the electrolyser according to FIG. 1 with the representation of the individual chemical components
Figur 3 einen Querschnitt durch eine Anodengasdiffusions elektrode und Figure 3 shows a cross section through an anode gas diffusion electrode and
Figur 4 ein Diagramm mit der Darstellung des Gasvolumen stromes an verschiedenen Bereichen im Elektroly seur. FIG. 4 is a diagram showing the gas volume flow in different areas in the electrolyzer.
Der Elektrolyseur 2 gemäß Figur 1 ist dort in sehr schemati scher Weise bezüglich seines Aufbaus dargestellt. Der Elekt rolyseur 2 umfasst eine Elektrolysezelle 4, in der wiederum zwei Gasdiffusionselektroden angeordnet sind. Dabei handelt es sich um eine Kathodengasdiffusionselektrode 6 (im Weiteren GDK genannt). Ferner ist eine Anodengasdiffusionselektrode 8 vorgesehen, die im Weiteren GDA genannt wird. Beide Gasdiffu- sionselektroden 6, 8 sind als flächige Gebilde ausgestaltet, die jeweils zwei flächige Seiten aufweisen, und dabei einen Gasraum von einem Elektrolytraum 16 trennen. Im Einzelnen ist dies folgendermaßen ausgestaltet: The electrolyser 2 according to FIG. 1 is shown there in a very schematic manner with regard to its structure. The electrolyser 2 comprises an electrolysis cell 4 in which, in turn, two gas diffusion electrodes are arranged. This is a cathode gas diffusion electrode 6 (hereinafter referred to as GDK). Furthermore, an anode gas diffusion electrode 8 is provided, which is referred to below as GDA. Both gas diffu- Sion electrodes 6, 8 are designed as flat structures which each have two flat sides and thereby separate a gas space from an electrolyte space 16. In detail, this is structured as follows:
Die GDK 6 weist eine erste Seite 12 auf, die mit einem Katho dengasraum 10 in Verbindung steht bzw. diesen zumindest teil weise von dem Elektrolytraum 16 abgrenzt. Der Elektrolytraum 16 wiederum steht dabei mit einer zweiten Seite 18 der GDK 6 in Verbindung. Ferner weist die GDA 8 ebenfalls eine zweite Seite 19 auf, die den Elektrolytraum 16 von der anderen Seite her begrenzt. Die erste Seite der GDA 13 wiederum grenzt an einen weiteren Gasraum, nämlich den Anodengasraum 14 an. Die beiden Gasdiffusionselektroden 6, 8 begrenzen somit zumindest teilweise den Elektrolytraum 16 von zwei Seiten. Das Besonde re an dem beschriebenen Aufbau besteht darin, dass der Elekt rolytraum 16 im Gegensatz zu anderen Elektrolyseuraufbauten bzw. Elektrolysezellen nach dem Stand der Technik keine Tren nung zwischen den beiden Elektroden aufweist. Zwischen der GDK 6 und der GDA 8 existiert nur ein gemeinsamer Elektrolyt raum 16. Es existiert dabei kein durchgehendes Gebilde wie beispielsweise eine Membran oder ein Diaphragma. Ein flüssi ger Elektrolyt 42, der sich im Betriebszustand im Elektrolyt raum 16 befindet, steht in direkter Verbindung sowohl mit der zweiten Seite 18 der GDK 6 als auch mit der zweiten Seite 19 der GDA 8. The GDK 6 has a first side 12 which is connected to a cathode gas space 10 or at least partially delimits it from the electrolyte space 16. The electrolyte space 16 is in turn connected to a second side 18 of the GDK 6. Furthermore, the GDA 8 likewise has a second side 19 which delimits the electrolyte space 16 from the other side. The first side of the GDA 13 in turn adjoins a further gas space, namely the anode gas space 14. The two gas diffusion electrodes 6, 8 thus at least partially delimit the electrolyte space 16 from two sides. What is special about the structure described is that, in contrast to other electrolyser structures or electrolysis cells according to the prior art, the electrolyte space 16 has no separation between the two electrodes. There is only one common electrolyte space 16 between the GDK 6 and the GDA 8. There is no continuous structure such as a membrane or a diaphragm. A liquid electrolyte 42, which is located in the electrolyte space 16 in the operating state, is in direct connection both with the second side 18 of the GDK 6 and with the second side 19 of the GDA 8.
Somit weist die beschriebene Elektrolysezelle 42 wesentliche Merkmale auf. Zum einen werden anstatt der üblichen einen Gasdiffusionselektrode als Kathode in dem beschriebenen Fall zwei Gasdiffusionselektroden verwendet, hierbei ist somit auch die als GDA 8 ausgestaltete Anode eine Gasdiffusions elektrode. Ferner besteht nur ein gemeinsamer Elektrolytraum für beide Elektroden. Auf die Wirkungsweise dieses Aufbaus wird noch eingegangen werden. The electrolysis cell 42 described thus has essential features. On the one hand, instead of the usual one gas diffusion electrode as the cathode, two gas diffusion electrodes are used in the case described, in this case the anode configured as GDA 8 is thus also a gas diffusion electrode. Furthermore, there is only one common electrolyte space for both electrodes. The mode of action of this structure will be discussed later.
Zunächst sei bezüglich Figur 1 noch erläutert, dass ein Elektrolytkreislauf 26 vorgesehen ist, der sowohl eine Elekt- rolytZuleitung 20 als auch eine Elektrolytableitung 22 sowie eine Pumpvorrichtung 24 umfasst. Ferner ist im Elektrolyt kreislauf 26 eine CCh-Abscheidevorrichtung 32 vorgesehen, die wiederum über eine Verbindungsleitung 34 ggf. über eine CO2- Aufbereitungsvorrichtung 46 zu einer Eduktgaszuführvorrich- tung 28 führt. Ferner ist in dem Elektrolytkreislauf 26 ein Elektrolytreservoir 44 vorgesehen. First of all, it should be explained with regard to FIG. 1 that an electrolyte circuit 26 is provided which has both an rolyte feed line 20 as well as an electrolyte discharge line 22 and a pumping device 24. Furthermore, a CCh separation device 32 is provided in the electrolyte circuit 26, which in turn leads via a connecting line 34, possibly via a CO 2 processing device 46, to an educt gas supply device 28. Furthermore, an electrolyte reservoir 44 is provided in the electrolyte circuit 26.
Für die Versorgung der Elektrolysezelle 4 bzw. des Elektroly seurs 2 mit Edukten und die Abfuhr von Produkten ist, wie be reits erwähnt, die Eduktzuführvorrichtung 28 vorgesehen, in der ein Eduktgas 40, das Kohlendioxid umfasst, in den Katho dengasraum 10 eingeleitet wird. Der Kathodengasraum 10 um fasst im Weiteren eine Produktgasauslassvorrichtung 30, in der das während des Prozesses entstandene Kohlenmonoxid und überschüssiges Kohlendioxid ausgeleitet werden. Ferner um fasst die Elektrolysezelle noch den Anodengasraum 14, der ei ne Sauerstoffablassvorrichtung 36 aufweist. Die Spannung U wird zwischen den beiden Gasdiffusionselektroden 6 und 8 an gelegt. Die Anodengasdiffusionselektrode weist in einer er findungsgemäßen Ausgestaltung eine kationenselektive Be schichtung auf (nicht gezeigt). For the supply of the electrolysis cell 4 or the electrolyzer 2 with educts and the removal of products, the educt feed device 28 is provided, as already mentioned, in which an educt gas 40, which comprises carbon dioxide, is introduced into the cathode gas space 10. The cathode gas space 10 also includes a product gas outlet device 30, in which the carbon monoxide and excess carbon dioxide formed during the process are discharged. The electrolysis cell also includes the anode gas space 14, which has an oxygen discharge device 36. The voltage U is applied between the two gas diffusion electrodes 6 and 8. In an embodiment according to the invention, the anode gas diffusion electrode has a cation-selective coating (not shown).
In Figur 2 ist der bezüglich Figur 1 beschriebene Elektroly seur 2 noch einmal schematischer dargestellt, wobei unter Verwendung der chemischen Symbole der Reaktionsverlauf und der Stofffluss veranschaulicht werden soll. Hierbei wird als Eduktgas im Wesentlichen Kohlendioxid in den Kathodengasraum 10 eingeleitet und an der ersten Oberfläche 12 der GDK zumin dest teilweise zu Kohlenmonoxid reduziert und durch die be schriebene Produktgasauslassvorrichtung 30 wieder abgeleitet. Da es bei den meisten Prozessabläufen nicht zu einer voll ständigen Reduktion des gesamten Kohlendioxides (CO2) zu Koh lenmonoxid (CO) kommt, wird in der Auslassvorrichtung 30 so wohl Kohlendioxid als auch Kohlenmonoxid ausgelassen, die später voneinander getrennt werden. Wie durch die chemischen Gleichungen Gl. 1 bis Gl.4 beschrieben ist, gelangt das Koh lendioxid auch durch die GDK 6 in den Elektrolytraum 16, wo es mit dem dort vorliegenden Wasser zu Hydrocarbonatanionen reagiert (vgl. Gleichung 1 und Gleichung 2). In FIG. 2, the electrolyzer 2 described with reference to FIG. 1 is shown once again more schematically, the purpose of which is to illustrate the course of the reaction and the substance flow using the chemical symbols. In this case, essentially carbon dioxide is introduced into the cathode gas space 10 as the starting gas and at least partially reduced to carbon monoxide on the first surface 12 of the GDK and discharged again through the product gas outlet device 30 described. Since most of the processes do not lead to a complete reduction of the total carbon dioxide (CO2) to carbon monoxide (CO), both carbon dioxide and carbon monoxide are discharged in the outlet device 30 and are later separated from one another. As shown by the chemical equations Eq. 1 to Eq. 4 is described, the Koh lendioxid also passes through the GDK 6 in the electrolyte space 16, where it reacts with the water present there to form hydrocarbonate anions (cf. equation 1 and equation 2).
Im Gegensatz dazu entstehen an der GDA sowohl Protonen als auch molekularer Sauerstoff (vgl. Gleichung 3), wobei die Protonen mit den Carbonationen zu Kohlendioxid und Wasser re agieren (Gleichung 4). In contrast, both protons and molecular oxygen are produced at the GDA (cf. equation 3), with the protons reacting with the carbonate ions to form carbon dioxide and water (equation 4).
Das so zurückgewonnene Kohlendioxid wird im Elektrolyten 42 ggf. stark übersättigt gelöst und mit diesen aus der Elektro lysezelle 2 bzw. dem Elektrolytraum 16 ausgeleitet. Das aus geleitete Kohlendioxid kann dabei im Elektrolytkreislauf 26 in der beschriebenen C02-Abscheidevorrichtung 32 wieder aus dem Elektrolyt 42 entfernt werden und dem Eduktgas 40 wieder zugeführt werden. Hierbei kann ggf. noch eine Aufbereitung des Kohlendioxids in einer Aufbereitungsvorrichtung 46 statt finden. The carbon dioxide recovered in this way is dissolved in the electrolyte 42, possibly strongly supersaturated, and discharged with this from the electrolyte cell 2 or the electrolyte chamber 16. The discharged carbon dioxide can be removed again from the electrolyte 42 in the electrolyte circuit 26 in the described C0 2 separation device 32 and fed back to the educt gas 40. In this case, the carbon dioxide can optionally also be processed in a processing device 46.
An der GDA 8 entsteht dabei, wie bereits auch in Gleichung 3 zu sehen ist, molekularer Sauerstoff (02) , der durch die GDA 8 diffundieren kann und damit in den Anodengasraum 14 gelangt und über die Sauerstoffablassvorrichtung 36 entweichen kann. Erst durch die Ausgestaltung der Anoden in Form einer GDA 8 ist es möglich, dass der bei dem Prozess zwangsweise entste hende molekulare Sauerstoff sich nicht mit dem Kohlendioxid im Elektrolyten vermischt und von diesem später wieder ge trennt werden muss. Die GDA 8 ist dabei, wie in Figur 3 dar gestellt, mit einer hydrophoben Schicht 38 versehen, so dass der molekulare Sauerstoff durch die GDA 8 diffundieren kann, das flüssige Wasser jedoch durch die erwähnt hydrophobe Schicht 38 zurückgehalten wird. Wie beschrieben, wird das Kohlendioxid in einer relativen reinen Form im Elektrolyten 42 gelöst und kann aus diesem wieder entnommen werden und dem Prozess erneut zugeführt wer den. Eine aufwendige Trennung eines Kohlendioxid- Sauerstoffgemisches ist dabei nicht nötig, weshalb somit der Prozess deutlich effizienter gestaltet wird. As can already be seen in equation 3, molecular oxygen ( O 2) is generated at the GDA 8, which can diffuse through the GDA 8 and thus get into the anode gas space 14 and escape via the oxygen discharge device 36. Only by designing the anodes in the form of a GDA 8 is it possible that the molecular oxygen that is inevitably generated in the process does not mix with the carbon dioxide in the electrolyte and then has to be separated from it again later. As shown in FIG. 3, the GDA 8 is provided with a hydrophobic layer 38 so that the molecular oxygen can diffuse through the GDA 8, but the liquid water is retained by the aforementioned hydrophobic layer 38. As described, the carbon dioxide is dissolved in a relatively pure form in the electrolyte 42 and can be removed therefrom and fed back into the process. A complex separation of a carbon dioxide-oxygen mixture is not necessary, which is why the process is made much more efficient.
Bei einer herkömmlichen Prozessführung geht man davon aus, dass etwa die Hälfte des eingebrachten Kohlendioxids über den Prozess, insbesondere durch die Mischung mit molekularem Sau erstoff zumindest wirtschaftlich während des Prozesses verlo rengeht. Unter wirtschaftlich verlorengehen wird verstanden, dass es nicht rentabel ist, das bereits verunreinigte Kohlen dioxid wieder unter betriebswirtschaftlichen Maßstäben renta bel von dem Sauerstoff zu trennen. In a conventional process management, it is assumed that about half of the carbon dioxide introduced is lost through the process, in particular through the mixture with molecular oxygen, at least economically during the process. Economically lost is understood to mean that it is not profitable to separate the already contaminated carbon dioxide from the oxygen again under economic standards.
Um dies zu veranschaulichen sind in Figur 4 die Gasvolumen ströme 50 der Wesentlichen an dem Prozess beteiligten Gase (O2, CO, CO2 sowie H2) an den einzelnen Elektroden bzw. im Elektrolyt dargestellt. Die einzelnen Gasvolumenströme 50 sind anhand verschiedener Schraffierungen zu erkennen. Dabei ist insbesondere der Gasvolumenstrom 51 des Kohlendioxids von Interesse. Wie an dem linken Balken, der den Gasvolumenstrom 52 an der GDK 6 veranschaulicht, herrscht hier ein sehr hoher Kohlendioxidanteil vor, aber auch der wesentliche Kohlenmono xidanteil ist an dieser Stelle, also an der GDK, vorhanden. Auch der Gasvolumenstrom 54 im Elektrolyten 42 (mittlerer Balken) zeigt ein hohen Kohlendioxidgasvolumenstrom, dort ist nur sehr wenig Kohlenmonoxid mit enthalten. Dies zeigt, dass der Elektrolyt nahezu nur Kohlendioxid als Gas, wie bereits beschrieben, in gesättigter Form aufnimmt, das im weiteren Verfahrensverlauf wieder vom Elektrolyten 42 abgetrennt wird. Der Gasvolumenstrom 56 an der GDA 8 weist dabei einen nur sehr geringen Anteil des Gasvolumenstroms 51 des Kohlendioxi des auf. Bei einer guten Prozessführung kann dieser lediglich nur ein 20igstel des Gasvolumenstromes 51 an der GDK 6 betra gen. Das bedeutet, dass über die GDA 8 lediglich nur ein 20igstel des eingesetzten Kohlendioxides gemeinsam mit dem Sauerstoff abgeleitet und somit verlorengeht. Wie bereits dargelegt, beträgt dieser Wert bei herkömmlichen Prozessen bis zu 50 % des eingesetzten Kohlendioxides. To illustrate this, the gas volume flows 50 of the gases essentially involved in the process (O2, CO, CO2 and H2) at the individual electrodes or in the electrolyte are shown in FIG. The individual gas volume flows 50 can be recognized by means of different hatching. The gas volume flow 51 of the carbon dioxide is of particular interest here. As on the left bar, which illustrates the gas volume flow 52 at the GDK 6, there is a very high carbon dioxide content here, but the essential carbon monoxide content is also present at this point, i.e. at the GDK. The gas volume flow 54 in the electrolyte 42 (middle bar) also shows a high carbon dioxide gas volume flow, there is only very little carbon monoxide included. This shows that the electrolyte almost only absorbs carbon dioxide as a gas, as already described, in saturated form, which is separated again from the electrolyte 42 in the further course of the process. The gas volume flow 56 at the GDA 8 has only a very small proportion of the gas volume flow 51 of the carbon dioxide. With good process management, this can only amount to only a 20th of the gas volume flow 51 at the GDK 6. This means that via the GDA 8, only a 20th of the carbon dioxide used together with the Oxygen is diverted and thus lost. As already explained, this value is up to 50% of the carbon dioxide used in conventional processes.
Die Figur 4 veranschaulicht also, dass die getroffenen Maß nahmen bei dem hier vorgestellten CCh-Elektrolyseurs 2, näm lich die Verwendung von zwei Gasdiffusionselektroden, als GDK 6 und GDA 8 und einen von diesen gemeinsamen eingeschlossenen Elektrolytraum 16 dazu führt, dass der Verlust an Kohlendi oxid bei der Elektrolyse von ca. 50 % auf etwa 5 % oder auch noch weniger reduziert werden kann. Letztendlich bedeutet ist die Reduktion des Verlustes an Kohlendioxid von mehr als 90 %. FIG. 4 thus illustrates that the measures taken in the CCh electrolyzer 2 presented here, namely the use of two gas diffusion electrodes as GDK 6 and GDA 8 and an electrolyte space 16 enclosed by them, leads to the loss of carbon dioxide oxide can be reduced from approx. 50% to approx. 5% or even less during electrolysis. Ultimately this means a reduction in carbon dioxide loss of more than 90%.
Die GDA 8 weist dabei eine hydrophobe Schicht 38 auf, die ein Durchdringen des Elektrolyten 42, der insbesondere auf wäss riger Basis besteht, verhindert. Der molekulare Sauerstoff kann jedoch durch die Poren der GDA 8 in den Anodengasraum 14 diffundieren. The GDA 8 has a hydrophobic layer 38 which prevents penetration of the electrolyte 42, which is in particular water-based. However, the molecular oxygen can diffuse through the pores of the GDA 8 into the anode gas space 14.
Da CO2 in wässriger Lösung auch in stark übersättigter Kon zentration vorliegen kann, muss das durch die Neutralisation vorliegende CO2 (Gleichung 4) nicht zwangsläufig in den Elektrolytraum 16 zur Gasblasenbildung führen. Insbesondere durch die geringen Konzentrationen an anodisch gebildetem H+ und kathodisch gebildetem Carbonaten ist die Neutralisation über den gesamten Elektrolytraum 16 verteilt. Durch die mög liche Übersättigung wird die Ausgasung auf den gesamten Elektrolyten 42 im Elektrolytraum 16 sowie den Elektrolyt kreislauf 26, der auch das Elektrolytreservoir 44 umfasst, verteilt. Die im Elektrolyten 42 vorliegenden CO2-Bläschen können vom Elektrolyten 42 vor Eintritt in die Elektrolyse zelle abgetrennt werden. Dies erfolgt in der beschriebenen C02-Abscheidevorrichtung 32. Damit wird die Freisetzung des chemisch durch die Kathodenreaktion gebundenen Kohlendioxids verteilt und nur ein kleiner Teil der Gasblasen wird tatsäch lich im Elektrolytraum 16 frei. Für die im Elektrolytraum 16 freiwerdenden Kohlendioxidbläs chen gibt es dabei drei Möglichkeiten: Since CO2 can also be present in a highly supersaturated concentration in aqueous solution, the CO2 present as a result of the neutralization (equation 4) does not necessarily have to lead to the formation of gas bubbles in the electrolyte space 16. In particular, due to the low concentrations of anodically formed H + and cathodically formed carbonates, the neutralization is distributed over the entire electrolyte space 16. Due to the possible oversaturation, the outgassing is distributed over the entire electrolyte 42 in the electrolyte space 16 and the electrolyte circuit 26, which also includes the electrolyte reservoir 44. The CO2 bubbles present in the electrolyte 42 can be separated from the electrolyte 42 before entering the electrolysis cell. This takes place in the described C0 2 separation device 32. This distributes the release of the carbon dioxide chemically bound by the cathode reaction and only a small part of the gas bubbles is actually released in the electrolyte space 16. There are three options for the carbon dioxide bubbles released in the electrolyte compartment 16:
Sie kommen mit der GDK 6 in Kontakt und werden von dieser absorbiert. In diesem Fall wird das Kohlendioxid der Reak tion wieder zur Verfügung gestellt. Dieser Fall ist für den Prozessablauf vorteilhaft. You come into contact with the GDK 6 and are absorbed by it. In this case, the carbon dioxide is made available again for the reaction. This case is advantageous for the process flow.
Die CO2-Bläschen kommen mit der GDA in Kontakt und werden von dieser absorbiert. In diesem Fall vermischt sich das durch die Reaktion eingelöste Kohlendioxid mit dem ano disch gebildeten Sauerstoff im Anodengasraum 14. Dieser Teil entspricht dem Gasvolumenstrom 51 des Kohlendioxids im rechten Balken 56 der Figur 4. Dieses Kohlendioxid kann für den Prozess als verloren angesehen werden. The CO2 bubbles come into contact with the GDA and are absorbed by it. In this case, the carbon dioxide dissolved by the reaction mixes with the anodically formed oxygen in the anode gas space 14. This part corresponds to the gas volume flow 51 of the carbon dioxide in the right bar 56 of FIG. 4. This carbon dioxide can be regarded as lost for the process.
Im dritten möglichen Fall kommen die C02-Gasbläschen mit keiner der beiden Gasdiffusionselektroden 6, 8 in Kontakt und werden mit dem Elektrolyten 42 aus der Elektrolysezel- le 4 getragen. Dieser Teil des Kohlendioxids kann mit dem restlichen Elektrolyten 42 wie beschrieben vom flüssigen Elektrolyten 42 abgetrennt werden und nach einer eventuel len Aufbereitung (CCb-Aufbereitungsvorrichtung 46) dem Gaskreislauf, insbesondere dem Eduktgas 40 über die Ver- bindungsleitung 34 wieder zur Verfügung gestellt werden. In the third possible case, the CO 2 gas bubbles do not come into contact with either of the two gas diffusion electrodes 6, 8 and are carried out of the electrolysis cell 4 with the electrolyte 42. This part of the carbon dioxide can be separated from the liquid electrolyte 42 with the remaining electrolyte 42 as described and, after any processing (CCb processing device 46), can be made available again to the gas cycle, in particular to the educt gas 40, via the connecting line 34.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
2 Elektrolyseur 2 electrolyzer
4 Elektrolysezelle 4 electrolytic cell
6 Kathodengasdiffussionselektrode (GDK)6 cathode gas diffusion electrode (GDK)
8 Anodengasdiffussionselektrode (GDA)8 anode gas diffusion electrode (GDA)
10 Kathodengasraum 10 cathode gas compartment
12 erste Seite GDK 12 first page GDK
13 erste Seite GDA 13 first page GDA
14 Anodengasraum 14 anode gas compartment
16 Elektrolytraum 16 electrolyte room
18 zweite Seite GDK 18 second page GDK
19 zweite Seite GDA 19 second page GDA
20 ElektrolytZuleitung 20 Electrolyte supply line
22 Elektrolytableitung 22 Electrolyte drainage
24 Pumpvorrichtung 24 pumping device
26 Elektrolytkreislauf 26 Electrolyte circuit
28 Eduktgaszuführung 28 Feed gas feed
30 Produktgasauslassvorrichtung 30 Product gas outlet device
32 CCb-Abscheidevorrichtung 32 CCb separator
34 Verbindungsleitung 34 connecting cable
36 Sauerstoffablassvorrichtung 36 Oxygen deflation device
38 hydrophobe Beschichtung 38 hydrophobic coating
40 Eduktgas 40 feed gas
42 Elektrolyt 42 electrolyte
44 Elektrolytreservoir 44 electrolyte reservoir
46 CCb-Aufbereitung 46 CCb preparation
48 Produktgas 48 product gas
50 Gasvolumenstrom 50 gas volume flow
51 Gasvolumenstrom CO2 51 Gas volume flow CO2
52 Gasvolumenstrom GDK 52 Gas volume flow GDK
54 Gasvolumenstrom Elektrolyt 54 Gas volume flow electrolyte
56 Gasvolumenstrom GDA 56 Gas volume flow GDA

Claims

Patentansprüche Claims
1. Elektrolyseur zur Kohlenstoffdioxidreduktion, umfassend eine Elektrolysezelle (4), mit einer Kathodengasdiffusi onselektrode (6) sowie mit einer Anodengasdiffusions elektrode (8), wobei die Kathodengasdiffusionselektrode (8) an einer ersten Seite (12) flächig an einen Kathoden gasraum (10) angrenzt und die Anodengasdiffusionselektro de (8) ebenfalls mit einer ersten Seite (13) an einem Anodengasraum (14) angrenzt, und wobei ein beiden Gasdif fusionselektroden (6, 8) gemeinsamer Elektrolytraum (16) vorgesehen ist, der von der Kathodengasdiffusionselektro de (6) bis zur Anodengasdiffusionselektrode (8) reicht und von den beiden Gasdiffusionselektroden (6, 8) mit ih rer den jeweils zugeordneten Gasräumen (10, 14) abgewand ten zweiten Seite (18, 19) zumindest abschnittsweiseweise begrenzt wird, wobei die Anodengasdiffusionselektrode (8) eine kationenselektive Beschichtung aufweist. 1. Electrolyser for carbon dioxide reduction, comprising an electrolysis cell (4), with a cathode gas diffusion electrode (6) and with an anode gas diffusion electrode (8), the cathode gas diffusion electrode (8) on a first side (12) flat against a cathode gas space (10) adjoins and the anode gas diffusion electrode (8) also adjoins an anode gas space (14) with a first side (13), and an electrolyte space (16) common to both gas diffusion electrodes (6, 8) is provided, which is connected to the cathode gas diffusion electrode (6 ) extends to the anode gas diffusion electrode (8) and is delimited at least in sections by the two gas diffusion electrodes (6, 8) with their second side (18, 19) facing away from the respectively assigned gas spaces (10, 14), the anode gas diffusion electrode (8) has a cation-selective coating.
2. Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytraum (16) mit einer ElektrolytZulei tung (20) und einer Elektrolytableitung (22) versehen ist, die gemeinsam mit einer Pumpvorrichtung (24) einen Elektrolytkreislauf (26) bilden. 2. Electrolyzer according to claim 1, characterized in that the electrolyte space (16) is provided with an electrolyte feed device (20) and an electrolyte discharge line (22) which together with a pump device (24) form an electrolyte circuit (26).
3. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengasraum (10) eine Edukt- gaszuführvorrichtung (28) und eine Produktgasauslassvor richtung (30) aufweist. 3. Electrolyser according to one of claims 1 or 2, characterized in that the cathode gas space (10) has an educt gas supply device (28) and a product gas outlet device (30).
4. Elektrolyseur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass im Elektrolytkreislauf (26) eine CO2- Abscheidevorrichtung (32) vorgesehen ist. 4. Electrolyser according to claim 2 or 3, characterized in that a CO2 separator (32) is provided in the electrolyte circuit (26).
5. Elektrolyseur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der CCb-Abscheidevorrichtung (32) zur Eduktgas- zuführvorrichtung (28) eine Verbindungsleitung (34) be steht. 6. Elektrolyseur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Anodengasraum (14) eine Sauerstoffablassvorrichtung (36) vorgesehen ist. 5. Electrolyser according to claim 4, characterized in that there is a connecting line (34) from the CCb separator (32) to the educt gas supply device (28). 6. Electrolyser according to one of the preceding claims, characterized in that an oxygen discharge device (36) is provided on the anode gas space (14).
7. Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs (2), umfas send folgende Schritte: 7. Method for operating an electrolyzer (2), comprising the following steps:
- Einleiten eines CC^-haltigen Eduktgases (40) in einen Kathodengasraum (10), - Introducing a CC ^ -containing educt gas (40) into a cathode gas space (10),
- wobei das CO2 an einer Kathodengasdiffusionselektrode (6) zumindest teilweise zu CO reduziert wird und die Kathodengasdiffusionselektrode (6) mit einer ersten Seite (12) an den Kathodengasraum (10) und mit der gegen überliegenden zweiten Seite (18) an einem Elektrolytraum (16) anliegt, - wherein the CO2 on a cathode gas diffusion electrode (6) is at least partially reduced to CO and the cathode gas diffusion electrode (6) with a first side (12) on the cathode gas space (10) and with the opposite second side (18) on an electrolyte space (16) ) is present,
- der Elektrolytraum (16) von einem flüssigen Elektroly ten (42) durchströmt wird, - The electrolyte space (16) is traversed by a liquid electrolyte (42),
- CO2 im Elektrolyten (42) gelöst wird und - CO2 is dissolved in the electrolyte (42) and
- an einer Anodengasdiffusionselektrodenoberfläche mole kularer Sauerstoff 02 frei wird, der durch eine Anoden gasdiffusionselektrode (8) diffundiert, wobei - Molecular oxygen 02 is released on an anode gas diffusion electrode surface, which diffuses through an anode gas diffusion electrode (8), wherein
- sowohl die Kathodengasdiffusionselektrode (6) als auch die Anodengasdiffusionselektrode (8) mit jeweils einer zweiten Seite (18, 19) an dem gemeinsamen Elektrolytraum- Both the cathode gas diffusion electrode (6) and the anode gas diffusion electrode (8) each with a second side (18, 19) on the common electrolyte space
(16) angrenzen und (16) adjoin and
- der Elektrolyt (42) außerhalb des Elektrolytraums (16) von dem darin gelösten CO2 entladen wird, wobei die Anodengasdiffusionselektrode (8) eine kationen selektive Beschichtung aufweist. - The electrolyte (42) outside the electrolyte space (16) is discharged from the CO2 dissolved therein, the anode gas diffusion electrode (8) having a cation-selective coating.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (42) eine wässrige Salzlösung umfasst, wo bei das gelöste Salz nicht auf einem Salz der Kohlensäure basiert. 8. The method according to claim 7, characterized in that the electrolyte (42) comprises an aqueous salt solution, where in the dissolved salt is not based on a salt of carbonic acid.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Elektrolyten (42) kleiner 7 ist. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Elektrolyten (42) zwischen 2 und 7 liegt. 9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the pH value of the electrolyte (42) is less than 7. 10. The method according to claim 9, characterized in that the pH of the electrolyte (42) is between 2 and 7.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass das aus dem Elektrolyt (42) entladene11. The method according to any one of claims 7 to 10, characterized in that the discharged from the electrolyte (42)
CO2 dem CC>2-haltigen Eduktgas (40) zugeführt wird. CO2 is fed to the CC> 2-containing feed gas (40).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Gasvolumenstrom des CO2 an der Gasdiffusionskathode (6) mindestens 5-mal so groß ist, wie an der Gasdiffusionsanode (8). 12. The method according to any one of claims 7 to 11, characterized in that a gas volume flow of the CO2 at the gas diffusion cathode (6) is at least 5 times as large as at the gas diffusion anode (8).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasvolumenstrom des CO2 an der Gasdiffusionskathode (6) mindestens 15-mal so groß ist wie an der Gasdiffusi onsanode (8). 13. The method according to claim 12, characterized in that a gas volume flow of the CO2 on the gas diffusion cathode (6) is at least 15 times as large as on the gas diffusion on anode (8).
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